Utilização de dispositivos de armazenamento de energia em apoio ao funcionamento de redes isoladas

Dissertação

Mestrado em Engenharia Electrotécnica

Energia e Automação

Utilização de Dispositivos de Armazenamento de

Energia em Apoio ao Funcionamento de Redes

Isoladas

Luís Miguel Carvalho Lourenço

Dissertação de Mestrado realizada sob a orientação do Doutor Nuno José de Abreu e Sousa Cabete Gil, coordenador do Departamento de Engenharia Electrotécnica e Professor da Escola

Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Leiria

À minha família, em especial

à Sandra, ao Gonçalo

Agradecimentos

Agradeço ao Doutor Nuno Gil por todo o empenho e dedicação na resolução das constantes adversidades que surgiram no decorrer desta dissertação, as quais tornaram este trabalho ainda mais desafiante.

Ao Doutor Pedro Marques pela motivação da opção tomada na escolha da ferramenta de simulação dinâmica, a qual foi para mim um enorme e constante desafio.

A todos os colegas que de forma directa ou indirecta, contribuíram para o debate de ideias de certo modo benéficas para a optimização do estudo aqui realizado.

A todos os Professores da Escola Superior de Tecnologia a Gestão de Leiria que contribuíram para o meu crescimento enquanto estudante desta Instituição.

Aos meus Pais que sempre me apoiaram em todas as adversidades da vida e também na progressão académica, pelo que reforço aqui o meu profundo agradecimento por todo o carinho, motivação e apoio que sempre me deram.

Em especial à Sandra e ao Gonçalo pelos momentos que não pude partilhar com eles e pela compreensão, força e motivação que sempre me deram, para que esta dissertação fosse possível de realizar.

A todos, o meu sincero

Bem-haja

Resumo

Temos assistido nos últimos anos à proliferação da produção distribuída de electricidade, sobretudo, com recurso a fontes de energia renováveis, implicando a natural reestruturação das redes eléctricas existentes, desde a produção até ao consumidor final. As constantes preocupações na garantia da qualidade de serviço e até mesmo em termos ambientais, levam a que a operacionalidade das redes seja cada vez mais eficiente, visando a integração de tecnologias emergentes como é o caso dos sistemas de armazenamento de energia.

A aposta nas energias de origem renovável nomeadamente a solar e a eólica, representa uma forma cada vez mais presente de geração de electricidade, tendo como grande inconveniente o regime de intermitência a que estão sujeitas, não se conseguindo tirar proveitos absolutos de todas as potencialidades que estas fontes proporcionam.

Existem actualmente sistemas de armazenamento de energia que permitem optimizar o comportamento das redes. Nesta dissertação é feita uma abordagem a alguns desses sistemas, tendo como objectivo principal a demonstração das potencialidades de optimização dos sistemas de produção e distribuição de energia eléctrica com recurso a sistemas de armazenamento de energia, em redes isoladas e interligadas.

É também feito um estudo do comportamento dinâmico de uma rede com vários cenários de ocorrência de defeitos, com e sem armazenamento de energia. Para isso a base deste trabalho consistiu na familiarização com uma ferramenta de grande potencial na simulação dinâmica de redes eléctricas, utilizado por prestigiados grupos de energia a nível mundial, na qual foi implementada a rede de teste e efectuadas as simulações do estudo.

Palavras-chave: Armazenamento de energia, produção distribuída, simulação dinâmica, estabilidade, redes inteligentes, PSS/E

Abstract

In recent years we have assisted to an increase in distributed generation of electrical power, especially from renewable energy sources. This implies the reorganization of the electrical grid, from production through the final consumer. The constant concerns with ensuring the quality of service and also regarding environmental issues, lead to the need to make the grid operation increasingly efficient, aiming at the integration of emerging technologies such as energy storage systems.

The investment in renewable sources of energy, namely solar and wind power represents an increasingly present option in electrical power generation. However, this approach has the great inconvenience of intermittency, which may cause these renewable sources not to be exploited to their fullest potential.

Storage systems can allow the optimization of the electrical power grid behavior. This dissertation presents some of these systems, having as main objective the demonstration of their potential for the optimization of the exploitation of power production and distribution systems, with energy storage in isolated and interconnected networks.

It is also presented a study of the network dynamic behavior exploring several operation and fault scenarios, with and without energy storage systems. The basis of this work consisted in performing dynamic simulation in software, which involved an initial process of familiarization and learning. This tool has great capabilities regarding electrical networks simulation and it´s used worldwide by prestigious energy groups and utilities.

Key-Words: Energy storage, distributed generation, dynamic simulation, stability, smart-grids, PSS/E

Índice de Figuras

FIGURA 1–REPRESENTAÇÃO DO SISTEMA ELÉCTRICO NACIONAL (SEN)[6] ... 7

FIGURA 2–EVOLUÇÃO DA POTÊNCIA INSTALADA EM PORTUGAL [8] ... 8

FIGURA 3–ESQUEMA PARCIAL DA REDE DE TRANSPORTE [9]. ... 9

FIGURA 4–DIAGRAMA DE CARGA DA PONTA ANUAL 2011/2012[8] ... 10

FIGURA 5–SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE AR COMPRIMIDO [5] ... 13

FIGURA 6–ESQUEMA DE PRINCÍPIO DE UM SISTEMA CONVENCIONAL CAES[5] ... 13

FIGURA 7–ESQUEMA DE PRINCÍPIO DO SISTEMA AVANÇADO ADIABÁTICO CAES[5] ... 14

FIGURA 8–CONSTITUIÇÃO BÁSICA DE UM VOLANTE DE INÉRCIA (FLYWHEEL)[11] ... 17

FIGURA 9–CICLO DE PRODUÇÃO DE ELECTRICIDADE COM RECURSO AO ARMAZENAMENTO DE ENERGIA TÉRMICA [14] ... 19

FIGURA 10–CENTRAL DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA TÉRMICA COM RECURSO A ENERGIA SOLAR [14] ... 19

FIGURA 11–ESQUEMA BÁSICO DE UMA CENTRAL HIDROELÉCTRICA COM BOMBAGEM [1] ... 21

FIGURA 12–ESTRUTURA BASE DE UM SISTEMA DE ARMAZENAMENTO MAGNÉTICO COM SUPERCONDUTOR [15] ... 22

FIGURA 13–ESQUEMA DE UM SUPERCONDENSADOR [15] ... 24

FIGURA 14–CONSTITUIÇÃO DE UMA CÉLULA DE COMBUSTÍVEL COM MEMBRANA DE PERMUTA PROTÓNICA [17] ... 26

FIGURA 15–CONSTITUIÇÃO DA BATERIA DE CHUMBO-ÁCIDO [5] ... 28

FIGURA 16–PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DA BATERIA DE IÕES DE LÍTIO [19] ... 29

FIGURA 17–SUBESTAÇÃO COM SUPORTE DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA COM ... 29

FIGURA 18–ESQUEMA DE PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DA BATERIA REDOX VANÁDIO [22] ... 31

FIGURA 19–APLICAÇÃO DE BATERIAS REDOX VANÁDIO NUMA CENTRAL FOTOVOLTAICA (60MWH)[23] ... 31

FIGURA 20–RESUMO DOS CAMPOS DE APLICAÇÃO DAS TECNOLOGIAS DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA [24]... 34

FIGURA 21–ESTRUTURA DE UMA REDE INTELIGENTE [26] ... 38

FIGURA 22–ESQUEMA DO MOTOR SÍNCRONO TRIFÁSICO COM 2 PÓLOS [27] ... 45

FIGURA 23–CIRCUITO DE CONTROLO DA POTÊNCIA ACTIVA NO MODELO CBEST[30] ... 47

FIGURA 24–CIRCUITO DE CONTROLO DA POTÊNCIA REACTIVA NO MODELO CBEST[30] ... 48

FIGURA 25–DIAGRAMA DE BLOCOS DA EFICIÊNCIA DO MODELO CBEST[30] ... 49

FIGURA 26–DIAGRAMA DE BLOCOS DO MODELO PAUX1T[30] ... 50

FIGURA 27–REDE BASE PARA O ESTUDO [33] ... 53

FIGURA 28–ESQUEMA GERAL DA REDE DE ESTUDO ... 54

FIGURA 29–PORMENOR DO BARRAMENTO DA SUBESTAÇÃO ... 55

FIGURA 30–PORMENOR DA REDE URBANA (ANEL) ... 56

FIGURA 31–PORMENOR DA REDE RURAL (RADIAL) ... 57

FIGURA 32–DIAGRAMA GERAL DA REDE (CENÁRIO C1). ... 62

FIGURA 33–DESVIO DE FREQUÊNCIA SEM RESPOSTA DA BATERIA (CENÁRIO C1.1) ... 64

FIGURA 35–DIAGRAMA DA REDE COM COMPENSAÇÃO DE ENERGIA REACTIVA (CENÁRIO C1.1) ... 66

FIGURA 36–DESVIO DE FREQUÊNCIA (CENÁRIO C1.2). ... 67

FIGURA 37–COMPARATIVO DE FREQUÊNCIA (COM E SEM RESPOSTA DA BATERIA) ... 67

FIGURA 38–POTÊNCIA GERADA NAS CENTRAIS (COM INTERMITÊNCIA DA RADIAÇÃO SOLAR) ... 68

FIGURA 39–DESVIO DA FREQUÊNCIA DA REDE COM RADIAÇÃO SOLAR VARIÁVEL (SEM BATERIA). ... 70

FIGURA 40–RESPOSTA DA BATERIA (CENÁRIO C2) ... 70

FIGURA 41–DESVIO DA FREQUÊNCIA DA REDE COM RADIAÇÃO SOLAR VARIÁVEL (COM/SEM BATERIA) ... 71

FIGURA 42–POTÊNCIA GERADA PELO PAINEL FOTOVOLTAICO (A);DESVIO DE FREQUÊNCIA (B) ... 72

FIGURA 43–POTÊNCIA FORNECIDA PELO GRUPO FOTOVOLTAICO E BATERIA. ... 72

FIGURA 44–DESVIO DE FREQUÊNCIA COM E SEM BATERIA. ... 73

FIGURA 45–DESVIO DE FREQUÊNCIA (CENÁRIO C3) ... 74

FIGURA 46–DESVIO DE FREQUÊNCIA COM/SEM RESPOSTA DA BATERIA (CENÁRIO C3) ... 74

FIGURA 47–TENSÃO NO BARRAMENTO 2:SUBESTAÇÃO (CENÁRIO C3) ... 75

FIGURA 48–POTÊNCIAS GERADAS PELOS GRUPOS DIESEL E MINI-HÍDRICA (HYDRO) ... 75

FIGURA 49–POTÊNCIAS GERADAS PELOS GRUPOS DE COGERAÇÃO COG1_G E COG2_ST. ... 76

FIGURA 50–POTÊNCIAS GERADAS PELOS GRUPOS DE MINI-GERAÇÃO MG2_G E MG3_G. ... 76

FIGURA 51–DESVIO DE FREQUÊNCIA COM E SEM RESPOSTA DA BATERIA (CENÁRIO C4). ... 78

FIGURA 52–DIAGRAMA DA REDE COM NÍVEIS DE TENSÃO (CENÁRIO C5) ... 79

FIGURA 53–RESPOSTA DA FREQUÊNCIA COM E SEM BATERIA (CENÁRIO C5) ... 80

FIGURA 54–DESVIO DE FREQUÊNCIA (CENÁRIO C5) ... 81

FIGURA 55–POTÊNCIA GERADA (CENÁRIO C5) ... 82

FIGURA 56–POTÊNCIA ABSORVIDA (A);DESVIO DE FREQUÊNCIA (B)- BARRAMENTO 46 ... 83

FIGURA 57–RESPOSTA DA BATERIA (A) E DESVIO DE FREQUÊNCIA COM E SEM BATERIA (B) ... 84

FIGURA 58–CIRCUITO EQUIVALENTE DE NORTON E DA FONTE DE CORRENTE DO MODELO DO GERADOR SÍNCRONO [30]. ... 99

FIGURA 59–VARIÁVEIS DE ENTRADA/SAÍDA DO GERADOR SÍNCRONO COM ROTOR DE PÓLOS SALIENTES (GENSAL)[30] ... 100

FIGURA 60–VARIÁVEIS DE ENTRADA/SAÍDA DO GERADOR SÍNCRONO COM ROTOR CILÍNDRICO (GENROU)[30]... 101

FIGURA 61–ESQUEMA DO GERADOR DE INDUÇÃO DUPLAMENTE ALIMENTADO (DFIG)[34] ... 103

FIGURA 62–DIAGRAMA DE INTERACÇÃO DOS MÓDULOS DO AEROGERADOR [34] ... 104

FIGURA 63–DIAGRAMA DE BLOCOS DO GERADOR ASSÍNCRONO (WT3G2)[30] ... 105

FIGURA 64–DIAGRAMA DE BLOCOS DO CONTROLADOR ELECTRÓNICO WT3E1[30] ... 106

FIGURA 65–DIAGRAMA DE BLOCOS DO CONTROLADOR DO ÂNGULO DAS PÁS (WT3P1)[30] ... 108

FIGURA 66–DIAGRAMA DE BLOCOS DO CONTROLADOR MECÂNICO (TURBINA EÓLICA)WT3T1[30] ... 109

FIGURA 67–DIAGRAMA DE BLOCOS DA TURBINA A GÁS COM REGULADOR DE VELOCIDADE (GAST)[30] ... 110

FIGURA 68–DIAGRAMA DE BLOCOS DA TURBINA A VAPOR COM REGULADOR (TGOV1)[30] ... 111

FIGURA 69–DIAGRAMA DE BLOCOS DA TURBINA HIDRÁULICA COM REGULADOR DE VELOCIDADE (HYGOV)[30] ... 113

FIGURA 70–DIAGRAMA DE BLOCOS DO GRUPO DIESEL COM REGULADOR DE VELOCIDADE (DEGOV)[30] ... 115

FIGURA 71–DIAGRAMA DE BLOCOS DO REGULADOR DE TENSÃO SCRX[30] ... 116

FIGURA 73–ESQUEMA GERAL DE UM REGULADOR DE TENSÃO COM RECTIFICADOR BIDIRECCIONAL [34] ... 117

FIGURA 74–DIAGRAMA DE BLOCOS DO REGULADOR DE TENSÃO IEEET1[30] ... 118

FIGURA 75–ESQUEMA DE INTERLIGAÇÃO DOS MÓDULOS DO SISTEMA FOTOVOLTAICO (PV)[30] ... 119

FIGURA 76–ESQUEMA DE INTERLIGAÇÃO DOS MÓDULOS GERADOR/CONTROLADOR E CONTROLADOR ELECTRÓNICO [30] ... 120

FIGURA 77–DIAGRAMA DE BLOCOS DO CONTROLADOR ELECTRÓNICO DO PAINEL FOTOVOLTAICO [30] ... 121

FIGURA 78–DIAGRAMA DE BLOCOS DO PAINEL FOTOVOLTAICO [30] ... 121

Índice de Tabelas

TABELA 1–MODELOS DE MÁQUINAS DAS CENTRAIS DESPACHÁVEIS ... 44

TABELA 2–MODELOS DE MÁQUINAS DAS CENTRAIS NÃO DESPACHÁVEIS ... 44

TABELA 3–MODELOS DOS DISPOSITIVOS DO SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA ... 44

TABELA 4–DESCRIÇÃO DOS PARÂMETROS DO MODELO CBEST ... 49

TABELA 5–DADOS INICIAIS DAS MÁQUINAS ... 58

TABELA 6–DADOS DAS CARGAS DA REDE ... 59

TABELA 7–DADOS DOS TRANSFORMADORES ... 59

TABELA 8–DADOS DAS LINHAS ... 60

TABELA 9–DADOS DOS BARRAMENTOS EM REGIME DE IMPORTAÇÃO. ... 63

TABELA 10–POTÊNCIA GERADA PELAS MÁQUINAS (CENÁRIO C1) ... 63

TABELA 11–POTÊNCIA GERADA PELAS MÁQUINAS COM COMPENSAÇÃO (CENÁRIO C1.1) ... 65

TABELA 12–NÍVEIS DE RADIAÇÃO SOLAR... 69

TABELA 13–POTÊNCIA GERADA (CENÁRIO C3) ... 73

TABELA 14–POTÊNCIA GERADA EM MODO REDE ISOLADA (CENÁRIO C4). ... 77

TABELA 15–PARÂMETROS DO GERADOR SÍNCRONO COM ROTOR DE PÓLOS SALIENTES (GENSAL)[30] ... 101

TABELA 16–PARÂMETROS DO GERADOR SÍNCRONO COM ROTOR CILÍNDRICO (GENROU)[30] ... 102

TABELA 17–PARÂMETROS DO GERADOR ASSÍNCRONO (WT3G2)[30] ... 105

TABELA 18–PARÂMETROS DO CONTROLADOR ELECTRÓNICO WT3E1[30] ... 107

TABELA 19–PARÂMETROS DO CONTROLADOR DO ÂNGULO DAS PÁS (WT3P1)[30] ... 108

TABELA 20–PARÂMETROS DO CONTROLADOR MECÂNICO (TURBINA EÓLICA)WT3T1[30] ... 109

TABELA 21–PARÂMETROS DA TURBINA A GÁS COM REGULADOR DE VELOCIDADE (GAST)[30] ... 110

TABELA 22–PARÂMETROS DA TURBINA A VAPOR COM REGULADOR (TGOV1)[30] ... 112

TABELA 23–PARÂMETROS DA TURBINA HIDRÁULICA COM REGULADOR DE VELOCIDADE (HYGOV)[30] ... 113

TABELA 24–PARÂMETROS DO GRUPO DIESEL COM REGULADOR DE VELOCIDADE (DEGOV)[30] ... 115

TABELA 25–PARÂMETROS DO REGULADOR DE TENSÃO SCRX[30] ... 117

TABELA 26–PARÂMETROS DO REGULADOR DE TENSÃO IEEET1[30] ... 118

TABELA 27–PARÂMETROS DO MÓDULO IRRADU1[30] ... 122

TABELA 28–PARÂMETROS DO MÓDULO PVGU1[30] ... 122

TABELA 29–PARÂMETROS DO MÓDULO PVEU1[30] ... 123

TABELA 30–PARÂMETROS DO MÓDULO PANELU1[30] ... 123

TABELA 31–PARÂMETROS DO MODELO CSTCNT[30] ... 124

TABELA 32–PARÂMETROS DA BATERIA (CBEST)[30] ... 125

Lista de Siglas/Abreviaturas

AA-CAES – Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage

AC – Alternating Current (Corrente Alternada)

AT – Alta Tensão (tensão entre fases cujo valor eficaz é superior a 45 kV e igual ou

inferior a 110 kV)

AVR – Automatic Voltage Regulator

BT – Baixa Tensão (tensão entre fases cujo valor eficaz é inferior a 1 kV)

CA – Corrente Alternada

CAES – Compressed Air Energy Storage

CBEST – EPRI Battery Energy Storage

CC – Corrente Continua

CSTCNT – STATCON dynamic model

DC – Direct Current (Corrente Continua)

DGEG – Direcção Geral de Energia e Geologia

EDP – Energias de Portugal

EDLC – Electric double layer capacitors

EPRI – Electric Power Research Institute

ERSE – Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos

ESS – Energy storage system

FACTS – Flexible Alternating Current Transmission System

FES – Flywheel Energy Storage

FET – Field Effect Transistor

GTO – Gate Turn-Off Thyristor

IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor

MAT – Muito Alta Tensão (tensão entre fases cujo valor eficaz é superior a 110 kV)

MBASE – Machine Base

MH – Mini-Hídrica

MT – Média Tensão (tensão entre fases cujo valor eficaz é superior a 1 kV e igual ou

inferior a 45 kV)

PAUX1T – Modulador de potência auxiliar

PD – Produção Distribuída

PSS/E – Power System Simulator for Engineering

PRE – Produção em Regime Especial

PRO – Produção em Regime Ordinário

PHES – Pumped Hydro Energy Storage

REN – Redes Energéticas Nacionais

RFB – Redox Flow Battery

RND – Rede Nacional de Distribuição

RNT – Rede Nacional de Transporte

SBASE – System Base

SEN – Sistema Eléctrico Nacional

SMART-GRID – Rede Inteligente

SMES – Superconducting Magnetic Energy Storage

STATCON – Static Condenser

THD – Total Harmonic Distortion

TES – Thermal Energy Storage

Un – Tensão nominal

VLAB – Ventilated Lead Acid Batteries

Índice Geral

1.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS ... 1

1.2 OBJECTIVOS ... 3

1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ... 5

CAPÍTULO 2 – O SISTEMA ELÉCTRICO NACIONAL 2.1 INTRODUÇÃO ... 7

2.2 A PRODUÇÃO ... 8

2.3 REDE DE TRANSPORTE ... 9

2.4 REDE DE DISTRIBUIÇÃO ... 10

CAPÍTULO 3 - ESTADO DA ARTE 3.1 SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA (ESS) ... 11

3.1.1 AR COMPRIMIDO (CAES)... 12

3.1.2 VOLANTES DE INÉRCIA (FLYWHEELS) ... 14

3.1.3 ARMAZENAMENTO DE ENERGIA TÉRMICA (TES) ... 17

3.1.4 HÍDRICA COM BOMBAGEM (PHES) ... 20

3.1.5 ARMAZENAMENTO MAGNÉTICO COM SUPERCONDUTORES (SMES) ... 22

3.1.6 SUPERCONDENSADORES (SCES) ... 23

3.1.7 PILHA DE COMBUSTÍVEL (FUEL-CELLS) ... 25

3.1.8.1 BATERIA DE CHUMBO-ÁCIDO ... 27

3.1.8.2 BATERIA DE IÕES DE LÍTIO ... 28

3.1.8.3 BATERIA DE FLUXO REGENERATIVA ... 30

3.2 CONCLUSÕES ... 32

CAPÍTULO 4 – PRODUÇÃO DISTRIBUÍDA 4.1 INTRODUÇÃO ... 37

4.2 ENQUADRAMENTO ... 39

4.3 A QUALIDADE DA ENERGIA ... 40

4.4 FORMA DE ONDA DA TENSÃO ... 41

CAPÍTULO 5 – MODELOS DAS MÁQUINAS 5.1 INTRODUÇÃO ... 43

5.2 FERRAMENTA DE TRABALHO UTILIZADA (PSS/E) ... 43

5.3 MODELOS DE MÁQUINAS UTILIZADOS ... 44

5.4 MÁQUINA SÍNCRONA ... 45

5.5 MÁQUINA ASSÍNCRONA ... 46

5.6 DISPOSITIVO DE ARMAZENAMENTO (CBEST) ... 47

5.7 MODULADOR (PAUX1T) ... 50

CAPÍTULO 6 – ESTUDO DA REDE 6.1 INTRODUÇÃO ... 51

6.2 ESTRUTURA DA REDE ... 52

6.2.1 SUBESTAÇÃO ... 55

6.2.2 ZONA URBANA (ESTRUTURA EM ANEL) ... 55

6.2.3 ZONA RURAL (ESTRUTURA RADIAL) ... 57

6.3 DADOS DA REDE ... 58

6.4 CONTROLO DA REDE ... 60

6.5 CENÁRIOS DE COMPORTAMENTO DINÂMICO ... 61

6.5.1 C1 – PEQUENA IMPORTAÇÃO ... 62

6.5.1.1 C1.1 – TRANSIÇÃO PARA REDE ISOLADA SEM RESPOSTA DA BATERIA ... 64

6.5.1.2 C1.2 – TRANSIÇÃO PARA REDE ISOLADA COM RESPOSTA DA BATERIA ... 66

6.5.2 C2 – TRANSIÇÃO PARA REDE ISOLADA COM RADIAÇÃO SOLAR VARIÁVEL ... 67

6.5.3 C3 – TRANSIÇÃO DE GRANDE IMPORTAÇÃO PARA REDE ISOLADA ... 73

6.5.4 C4 – TRANSIÇÃO DE REGIME DE EXPORTAÇÃO PARA REDE ISOLADA ... 77

6.5.5 C5 – REDE ISOLADA COM SAÍDA DE SERVIÇO DA MINI-HÍDRICA ... 79

6.5.6 C6 – INCREMENTO DE CARGA NA ZONA RURAL ... 83

6.6 ANÁLISE DE RESULTADOS ... 84 CAPÍTULO 7 - CONCLUSÕES 7.1 ASPECTOS GERAIS ... 87 7.2 TRABALHO FUTURO... 89 BIBLIOGRAFIA ... 91 ANEXOS ÍNDICE DE ANEXOS ... 97

ANEXO 1 – MODELOS DE MÁQUINAS E DISPOSITIVOS A.1.1 GERADOR SÍNCRONO COM ROTOR DE PÓLOS SALIENTES (GENSAL) ... 99

A.1.2 GERADOR SÍNCRONO COM ROTOR CILÍNDRICO (GENROU)...101

A.1.3 AEROGERADOR ...102

A.1.3.1 GERADOR DE INDUÇÃO DUPLAMENTE ALIMENTADO (WT3G2) ...103

A.1.3.2 CONTROLADOR ELECTRÓNICO (WT3E1) ...106

A.1.3.3 CONTROLADOR DE ÂNGULO DAS PÁS (WT3P1) ...107

A.1.3.4 TURBINA EÓLICA (WT3T1) ...108

A.1.4 TURBINA A GÁS COM REGULADOR DE VELOCIDADE (GAST) ...109

A.1.5 TURBINA A VAPOR COM REGULADOR DE VELOCIDADE (TGOV1) ...111

A.1.6 TURBINA HIDRÁULICA COM REGULADOR DE VELOCIDADE (HYGOV) ...112

A.1.7 GRUPO DIESEL COM REGULADOR DE VELOCIDADE (DEGOV) ...115

A.1.8 REGULADOR DE TENSÃO/EXCITATRIZ (SCRX) ...116

A.1.9 REGULADOR DE TENSÃO/EXCITATRIZ (IEEET1) ...117

A.1.10 MÓDULO FOTOVOLTAICO (PV) ...119

A.1.11 CONDENSADOR ESTÁTICO (CSTCNT) ...124

A.1.12 PARÂMETROS DA BATERIA (CBEST) ...125

A.1.13 PARÂMETROS DO MODULADOR (PAUX1T) ...125

Capítulo 1 - Introdução

1.1

Considerações Gerais

O desenvolvimento das sociedades faz com que a humanidade fique cada vez mais sujeita a alterações climáticas, provocadas pelo aumento da poluição provocada pela utilização de recursos não renováveis. Prevê-se que nas próximas décadas os combustíveis fósseis se irão esgotar, logo estamos cada vez mais expostos ao desafio de encontrar recursos substitutos que garantam a nossa riqueza, a sobrevivência e o crescimento sustentável a longo prazo.

As novas tecnologias já nos proporcionam alternativas sustentáveis de geração de energia eléctrica, como por exemplo as turbinas eólicas, células fotovoltaicas e as centrais de biomassa. Mas estas tecnologias têm falhas, em comparação com as tecnologias tradicionais, produzem menores quantidades de energia eléctrica e têm a desvantagem da intermitência da produção.

O consumo de energia eléctrica a nível mundial tem tido um aumento exponencial e está a crescer cerca de 3,6 por cento ao ano [1], mas nem sempre faz sol, nem sempre existe vento. A potência fornecida à rede deve garantir a alimentação das cargas e as consequentes perdas, de modo a evitar a inoperacionalidade das redes ou até mesmo apagões e garantir os requisitos normativos [2] [3] [4].

Podem ocorrer situações em que a produção poderá ser superior ao consumo, ou vice-versa, por isso, a aposta crescente em fontes de energia renováveis leva à investigação e desenvolvimento de técnicas para que as tecnologias associadas sejam cada vez mais eficientes com o menor custo possível. Surgem neste contexto as tecnologias de armazenamento de energia, como uma peça fundamental de equilíbrio desses factores.

O armazenamento de energia não é uma tarefa fácil, pois é sabido que as baterias de equipamentos portáteis, tais como, os telemóveis ou as baterias dos carros eléctricos, têm um tempo de duração limitado e capacidade reduzida. Imaginemos agora o armazenamento de energia ao nível das centenas de milhares de turbinas eólicas e células fotovoltaicas.

Actualmente, a solicitação flutuante de energia consegue ser controlada em termos globais com a contribuição das centrais convencionais, mas à medida que nos aproximamos do fim da era do petróleo, existe a preocupação em substituir as centrais convencionais por fontes de energia renováveis, logo as mudanças estruturais das redes actuais são inevitáveis.

A produção a partir de energias renováveis tem o inconveniente de ser variável, o que poderá ser imprevisível. Hoje em dia é possível prever as condições climatéricas a curto prazo (dias), mas essa previsão nem sempre é certa, tornando-se complexo o fornecimento de energia de forma segura, no contexto de uma rede nacional ou mesmo transnacional. Existe então, uma necessidade de encontrar formas de compensar a intermitência da geração a partir de fontes renováveis, dando-se destaque neste contexto, ao armazenamento de energia, quando esta não está a ser consumida.

A história do armazenamento de energia eléctrica remonta ao século XX, quando as centrais eram muitas vezes desligadas durante a noite, com os acumuladores de chumbo-ácido a assegurar a alimentação das cargas residuais. As empresas de serviço público reconheceram a importância da flexibilidade que o armazenamento de energia proporciona à operação das redes de transporte e distribuição, pelo que a primeira central hidroeléctrica com bombagem (PHES) foi colocada em serviço em 1929 [5].

Nos últimos anos temos assistido a um incremento de preocupações ambientais, relativamente ao impacto que certos tipos de sistemas de armazenamento de energia provocam, como é exemplo a área abrangente do espelho de água das grandes albufeiras, com ou sem bombagem. Têm por isso sido adoptadas normas regulamentares que não permitem implementar sistemas que até poderiam ser extremamente eficientes, surgindo um paradigma no tipo de sistemas de armazenamento de energia (EES) a adoptar.

Estes sistemas estão actualmente a beneficiar de uma espécie de renascimento por vários motivos, a dependência da energia eléctrica na indústria, no comércio e nas casas, por questões de qualidade de serviço e de fornecimento e pelo crescimento das energias renováveis como uma importante fonte de geração de energia eléctrica. Tudo isto, combinado com as exigências ambientais cada vez mais rigorosas, tem contribuído para uma aposta em tecnologias de armazenamento cada vez mais eficientes e que permitem maiores capacidades de energia, em linha com a inovação tecnológica e com a consequente preocupação de redução de custos unitários.

Estas foram as bases essenciais que levaram à motivação pelo estudo do comportamento dinâmico de uma rede de energia eléctrica, quando operada em modo isolado ou interligado com outra rede a montante. É aqui dada maior relevância ao comportamento da frequência quando ocorrem situações de defeito na rede pondo em causa o normal funcionamento da mesma.

O desenvolvimento da electrónica de potência tem permitido o desenvolvimento de sistemas de controlo nos sistemas de energia, trazendo o benefício dos sistemas de produção de energia deixarem de ser controlados apenas por sistemas electromecânicos e passem a ser controlados electronicamente, sobretudo em sistemas de produção distribuída ou micro-redes.

Nos sistemas de produção distribuída, a utilização de dispositivos baseados em electrónica de potência pode superar as limitações do sistema actual. Por isso, a integração de sistemas de armazenamento de energia (ESS), tais como as baterias (BES) ou os volantes de inércia (flywheels) permitem uma optimização no comportamento das redes com um enorme potencial a ser explorado e devidamente colocado em prática.

1.2

Objectivos

O conceito de “smart-grid” é particularmente abrangente. No entanto, é geralmente considerada a operação em rede isolada de partes da rede como uma funcionalidade importante para melhorar a qualidade de serviço fornecida aos consumidores integrados na “smart-grid”.

Esta qualidade de serviço, em parte caracterizada pela sua continuidade, pode ser melhorada através da utilização de dispositivos de armazenamento de energia (baterias, flywheels ou, inclusivamente, pequenos sistemas de bombagem de água). O papel de um sistema deste tipo pode, no entanto, ser mais diversificado do que a simples emulação de uma típica unidade de alimentação ininterrupta (UPS) como as utilizadas em equipamentos informáticos.

Neste trabalho pretende-se simular dinamicamente um sistema de distribuição simplificado, com operação em rede isolada, procurando averiguar a contribuição que se conseguirá retirar dos dispositivos de armazenamento de energia em termos do comportamento dinâmico da rede e também da qualidade do serviço prestado aos consumidores.

O objectivo inicial teve como base a escolha e familiarização de uma ferramenta de trabalho que permitisse efectuar o estudo do comportamento dinâmico da rede em estudo com um sistema de armazenamento de energia em larga escala, tendo optado por recorrer ao PSS/E (Power Systems Simulation for Engineering), pelo facto desta ferramenta ter uma enorme potencialidade de análise e estudo de redes eléctricas, sendo as funcionalidades utilizadas tratadas com mais detalhe nos capítulos 5 e 6.

Tendo em consideração as limitações encontradas na utilização do PSS/E, o objectivo seguinte consistiu em implementar uma rede de distribuição eléctrica com produção distribuída, caracterizada por ter dois tipos de configuração, uma urbana e outra rural, com tipologias em anel e radial, respectivamente, com a tensão nominal de 15 kV. Na origem desta rede de distribuição estaria uma subestação, abastecida pela rede de transporte (Un = 150 kV)

e por diversos tipos de sistemas de geração e mini-geração de energia eléctrica.

Pelo facto de existirem actualmente diversos tipos de sistemas de armazenamento de energia e pelo facto deste tema ser muito abrangente, foi necessário efectuar uma opção relativa ao tipo de sistema a ser implementado. Optou-se por um sistema constituído por baterias, visto que o modelo de implementação dinâmica adoptado tem provas dadas em estudos de investigação muito recentes.

Após a escolha e familiarização da ferramenta de trabalho, escolha dos modelos dinâmicos das máquinas implementadas, construção da estrutura da rede e estudo do trânsito de potências, o objectivo fundamental desta dissertação é a elaboração de um estudo que permita compreender o comportamento dinâmico de uma rede de distribuição de energia eléctrica com produção distribuída, suportada por um sistema de armazenamento de energia.

Tendo em consideração a limitação de matéria a ser tratada, o estudo aqui efectuado incidiu principalmente no comportamento da frequência da rede ao serem considerados diversos tipos de defeitos que poderão ocorrer nas redes quando interligadas ou em modo isolado, conforme poderemos ver detalhadamente no capítulo 6.

1.3

Estrutura da Dissertação

Esta dissertação é constituída por 7 capítulos e no final estão dispostos dois grupos de anexos.

No capítulo 1 é feita uma introdução à estrutura deste relatório onde são feitas as considerações globais que serviram de base para a realização desta dissertação e estão também descritos os objectivos gerais que levaram à sua concretização.

No capítulo 2 é feita uma abordagem genérica à organização do sistema eléctrico Português, falando nos traços gerais da produção, transporte e distribuição de energia eléctrica.

O estado da arte é tratado no capítulo 3, onde são referidos alguns sistemas e tecnologias utilizados actualmente em sistemas de energia eléctrica e no final é feita a comparação entre ambos.

O capítulo 4 trata de uma forma sucinta os temas da produção distribuída (PD) e das redes inteligentes ou smart-grids na literatura anglo-saxónica. É feito um enquadramento relativo à importância que os sistemas de armazenamento podem representar nas redes actuais e futuras. Trata também a qualidade da energia e a sua importância para o devido funcionamento das redes eléctricas.

Como esta dissertação se baseou num estudo de uma rede, no capítulo 5 é feito um resumo das máquinas utilizadas para a concepção da rede de estudo. É feita também uma breve referência à ferramenta utilizada para a simulação dinâmica (PSS/E).

No capítulo 6 é tratado o estudo da rede concebida, com e sem armazenamento de energia. É feita uma descrição da rede relativamente à sua estrutura a constituição, são definidos os cenários de estudo e expostos os resultados obtidos nas simulações efectuadas.

No capítulo 7 são descritas as conclusões e as propostas para trabalhos futuros.

Por fim temos os anexos, onde são descritos na globalidade, os modelos utilizados e respectivos parâmetros associados. Temos também o código de comandos de programação em linguagem Python, utilizado nas simulações dinâmicas da rede.

Capítulo 2

2.1

Introdução

O Sistema Eléctrico Nacional redes de transporte e de distribuição subsistemas é feita com base na

Figura 1 – Representação do

Em Portugal existem vários níveis transporte ou distribuição. A rede 150 kV) e a rede de distribuição BT (400/230 V).

De forma a abreviar sinteticamente seguintes tratam resumidamente dissertação, a produção, o transporte

Capítulo 2 – O Sistema Eléctrico

(SEN) é basicamente constituído por centros

distribuição e pelos clientes AT, MT e BT. A interligação na direccionalidade representada na figura 1.

Representação do Sistema Eléctrico Nacional (SEN) [6]

níveis de tensão normalizados, consoante se rede de transporte engloba os níveis de tensão distribuição engloba os níveis de AT (60 kV), MT (30

sinteticamente a estruturação do sistema eléctrico Português, resumidamente os principais factores relacionados com

transporte e a distribuição de energia eléctrica.

Eléctrico Nacional

centros electroprodutores, interligação entre estes

]

se trate de redes de tensão MAT (400, 220, 30, 15, 10 e 6 kV) e

Português, os pontos com o objectivo desta

2.2

A Produção

O sistema de produção de electricidade é classificado em dois tipos de regimes, a produção em regime ordinário (PRO) é relativa à produção de electricidade com base em fontes tradicionais não renováveis e em grandes centros electroprodutores hídricos. A produção em regime especial (PRE) é relativa à cogeração e à produção eléctrica a partir da utilização de fontes de energia renováveis. O exercício desta actividade está subjacente à garantia do abastecimento, no âmbito do funcionamento de um mercado liberalizado. Abandona-se, assim, a lógica do planeamento centralizado dos centros electroprodutores, assente numa optimização baseada nos custos variáveis de produção de cada centro e introduz-se uma optimização que resultará de uma lógica de mercado.

Ao estado cabe a criação das condições adequadas ao desenvolvimento do referido mercado da electricidade. No entanto, o estado tem também a responsabilidade de suprir as falhas de mercado, assumindo a garantia do abastecimento de electricidade, através da monitorização permanente do sector eléctrico. No caso de se verificar que a iniciativa privada não está a assegurar as capacidades de produção necessárias, compete ao estado, através de concurso público, promover as condições para que tal abastecimento seja garantido.

Os produtores de electricidade em regime ordinário podem vender a electricidade produzida através da celebração de contratos bilaterais com clientes finais e com comercializadores de electricidade ou através da participação nos mercados organizados. Os produtores de electricidade em regime especial gozam do direito de vender a electricidade que produzem ao comercializador de último recurso. Tanto uns como outros podem igualmente fornecer serviços de sistema, através da celebração de contratos com o operador de sistema, ou através da participação em mercados organizados para este efeito [7]. Na figura 2 está representada a evolução da potência instalada em Portugal no período de 2003 a 2012, consoante a origem das fontes utilizadas.

2.3

Rede de Transporte

A actividade de transporte de electricidade é exercida mediante a exploração da rede nacional de transporte (RNT), a que corresponde uma única concessão exercida em exclusivo e em regime de serviço público pela REN (Redes Energéticas Nacionais). A exploração da RNT integra a função de gestão técnica global do sistema, assegurando a coordenação sistémica das instalações de produção e de distribuição, tendo em vista a continuidade e a segurança do abastecimento e o funcionamento integrado e eficiente do sistema (função operador de sistema).

A concessionária da RNT relaciona-se comercialmente com os utilizadores das respectivas redes, tendo direito a receber pela utilização destas e pela prestação dos serviços inerentes, uma retribuição por aplicação de tarifas reguladas [7].

Na figura 3 está exposto um excerto esquemático da rede eléctrica nacional, onde estão representados centros produtores, subestações, linhas de transporte, cargas e trânsito de potências.

2.4

Rede de Distribuição

A distribuição de electricidade distribuição (RND). Esta rede em exclusivo e em regime de serviço

As principais competências da exploração e manutenção da qualidade de serviço, bem como interoperacionalidade com as quadro da gestão técnica global

A concessionária da RND também respectivas redes, tendo direito [7].

A figura 4 ilustra dois diagramas respectivamente, onde podemos energia eléctrica em Portugal eólica e solar.

Figura 4 –

Distribuição

electricidade processa-se através da exploração da rede é explorada mediante uma única concessão

serviço público.

da entidade concessionária da RND consistem rede de distribuição em condições de segurança como gerir os fluxos de electricidade na rede,

redes a que esteja ligada e com as instalações

global do sistema (função operador da rede de distribuição).

ambém se relaciona comercialmente com os direito a receber uma retribuição por aplicação de

diagramas de carga, relativos aos anos de podemos ver as fontes de energia mais significativas Portugal, destacando-se as de origem hidráulica, gás

Diagrama de carga da ponta anual 2011/2012 [8]

da rede nacional de do estado, exercida

consistem em assegurar a segurança, fiabilidade e rede, assegurando a sua instalações dos clientes, no

distribuição). os utilizadores das de tarifas reguladas de 2011 e 2012, significativas na geração de gás natural, carvão,

Capítulo 3 - Estado da Arte

3.1

Sistemas de Armazenamento de Energia (ESS)

Existem actualmente diversas formas de armazenar energia, as quais permitem a integração de energias renováveis de forma mais eficiente. Com o surgimento de micro-redes como parte integrante da arquitectura da rede distribuída, surgem desafios permanentes no aumento da fiabilidade e da segurança no fornecimento de electricidade.

Existem no entanto questões relativas à integração activa ideal (operacional, técnica e de mercado) das tecnologias emergentes de armazenamento de energia na rede eléctrica, que ainda não estão desenvolvidas o suficiente e que precisam de ser estudadas, testadas e padronizadas. A integração de sistemas de armazenamento de energia e o desenvolvimento de unidades de conversão de energia, incluindo as energias renováveis, devem basear-se na infra-estrutura do sistema de abastecimento eléctrico actual de forma a aproveitar os recursos existentes. Resultando uma integração multi-dimensional optimizada com os sistemas de armazenamento de energia.

O armazenamento da energia é proporcionado por sistemas de corrente contínua (CC), podendo ser realizado a partir da conversão de energia sob forma de corrente alternada (CA), em outras formas de energia, tais como, electromagnética, electroquímica, térmica, cinética, ou energia potencial. Existem actualmente diversos tipos de tecnologias de armazenamento, os quais têm em comum uma unidade de conversão de energia. Existem dois factores essenciais que caracterizam o tipo de tecnologia de armazenamento de energia a ser aplicada, um é a quantidade de energia que pode ser armazenada no dispositivo, o outro é a taxa a que a energia pode ser transferida para dentro ou para fora do dispositivo de armazenamento.

Nos pontos seguintes é feita uma abordagem geral a alguns tipos de tecnologias de armazenamento energia mais relevantes para o tema desta dissertação, os quais podem ser utilizados em sistemas de distribuição de energia eléctrica, sendo os sistemas BES (Battery

3.1.1

Ar Comprimido (CAES)

O conceito de armazenamento de energia através do ar comprimido (CAES) pode ser datado de 1949 [5], quando Stal Laval apresentou a primeira patente onde era utilizada uma caverna subterrânea para armazenar o ar comprimido. O princípio de funcionamento tem como base a geração de electricidade a partir de uma turbina a gás convencional. Como mostrado na figura 5, este processo dissocia o processo de compressão e de expansão do ciclo de uma turbina convencional a gás, em dois processos separados, sendo o armazenamento realizado na forma de energia potencial elástica do ar comprimido. Fora dos períodos de cheia, a energia é armazenada através da compressão do ar num reservatório que poderá ser uma caverna existente no subsolo.

Para extrair a energia armazenada, o ar comprimido armazenado no reservatório é misturado com combustível e queimado, e então expandido através de uma turbina, a qual está ligada a um gerador para produzir electricidade. O calor residual dos gases de escape pode ser capturado através de um recuperador antes de ser libertado para o ambiente (figura 5). Um sistema CAES é basicamente constituído por 6 grupos principais em que cinco estão acima do solo e um no subsolo:

1) O motor e o gerador;

2) O compressor de ar, permutador de calor e pós-refrigeradores para economizar a energia dispendida na compressão e reduzir o teor de humidade do ar comprimido; 3) As turbinas, de alta e baixa pressão;

4) Equipamentos de controlo para regular e controlar a passagem do modo de geração para o modo de armazenamento;

5) Equipamento auxiliar de suporte à operação da instalação; 6) Depósito de armazenamento do ar comprimido (subsolo).

A cavidade de armazenamento pode ser desenvolvida em três categorias diferentes de formações geológicas: subterrânea em cavernas rochosas criadas pela escavação em formações rochosas impermeáveis, cavernas de sal criadas pela mineração salina, e reservatórios porosos criados por aquíferos esgotados, de gás, ou campos de petróleo. Os aquíferos em particular, podem ser os mais interessantes como forma de armazenamento, pois o ar comprimido ao deslocar a água, cria um sistema de armazenamento de pressão constante, enquanto a pressão nos sistemas alternativos variará ao introduzir ou libertar o ar.

Figura 5 – Sistema de armazenamento de Ar Comprimido [5]

O armazenamento de energia com recurso ao ar comprimido é um processo que ocorre fora das horas de cheia, ou seja, nos períodos em que a solicitação da rede é baixa ou o custo de geração é inferior, ou quando as fontes de energia variável estão a produzir em excesso. Por sua vez, a restituição à rede é feita quando o custo de geração é superior, ou quando nenhuma outra geração está disponível, rentabilizando deste modo o sistema.

Existem duas grandes barreiras para a implementação de sistemas CAES, a dependência de cavernas favoráveis e a dependência de combustíveis fósseis. Para aliviar estas barreiras, muitos sistemas CAES optimizados estão em fase de pesquisa e desenvolvimento. A figura 6 ilustra o esquema de princípio de um sistema convencional CAES onde são utilizados permutadores e refrigeradores no processo de compressão. Uma câmara de combustão está instalada entre as turbinas, o recuperador é utilizado para pré-aquecer o ar comprimido armazenado através da exaustão do gás. Estima-se que a fábrica da McIntosh [10] poderá reduzir o consumo de combustível em 25% usando o ciclo optimizado [5].

Figura 6 – Esquema de princípio de um sistema convencional CAES [5]

1- Ar; 2 e 5- Compressor; 3 e 6- Permutador de calor; 4 e 7- Calor; 8- Reservatório; 9- Ar Comprimido; 10 e 13- Câmara de Combustão; 11 e 14- Combustível; 12 e 15- Turbina; 16- Exaustão de Gases; 17-

No entanto existem diversas configurações possíveis e ainda em fase de estudo, com o objectivo de tornar ainda mais eficientes este tipos de sistemas, inclusive sistemas de pequena escala (até 10 MW). Ainda em fase de desenvolvimento, os chamados CAES adiabáticos avançados (AA-CAES) armazenam o potencial térmico e a energia do ar comprimido separadamente, a recuperação é feita durante a expansão (como mostrado na a figura 7). Embora o custo seja cerca de 20 a 30% mais elevado comparativamente com a central convencional, este sistema não recorre a combustíveis. Pode ser um sistema comercialmente viável, devido à optimização do armazenamento de energia térmica (TES) [5] conforme veremos mais adiante.

Figura 7 – Esquema de princípio do sistema avançado adiabático CAES [5]

1- Ar; 2- Compressor; 3- Reservatório de Armazenamento; 4- Ar Comprimido; 5- Armazenamento de Energia Térmica; 6- Turbina; 7- Motor/Gerador; 8- Electricidade; 9 e 10- Embraiagem; 11- Exaustão de Gases.

Os sistemas de armazenamento de ar comprimido são neste momento a única tecnologia disponível (além do sistema PHES) capaz de proporcionar grandes capacidades de armazenamento de energia (podendo superar os 100 MW). Tem a vantagem de ter baixos custos de investimento (tendo em consideração as capacidades referidas), mas a eficiência é relativamente baixa em comparação com outras tecnologias existentes actualmente.

3.1.2

Volantes de Inércia (Flywheels)

Os volantes de inércia (Flywheels) tiveram origem nos volantes mecânicos usados apenas para manter as máquinas em funcionamento de ciclo para ciclo. Actualmente o seu potencial de utilização em sistemas de armazenamento de energia eléctrica tem sido um constante desafio na área da investigação [11]. As melhorias do tipo material aplicado, as características magnéticas e a electrónica de potência fizeram com que os volantes fossem uma escolha bastante competitiva para um grande número de aplicações de armazenamento de energia.

O desenvolvimento da electrónica de potência com recurso a IGBT’s e FET’s tornou possível a operação destes sistemas para altas potências. O uso de materiais compostos permite alta velocidade de rotação, maior densidade de potência comparativamente por exemplo com as baterias electroquímicas. Os rolamentos magnéticos oferecem atrito muito baixo, permitindo baixas perdas internas durante o armazenamento a longo prazo. A alta velocidade é um factor de grande importância uma vez que a energia armazenada é proporcional ao quadrado da velocidade, sendo também linearmente proporcional à massa.

Existem também outras características que tornam os volantes mais vantajosos para aplicações em que outras unidades de armazenamento estão actualmente a ser utilizadas:

- Alta densidade de potência; - Alta densidade de energia;

- Sem redução de capacidade, o tempo de vida do volante é quase independente da profundidade e ciclo da descarga. Apresenta um bom funcionamento tanto para rápidas como para longas descargas. Sendo uma boa opção para situações em que existem variações de carga, ao contrário das baterias;

- O estado de carga pode ser facilmente medido, uma vez que é dado pela velocidade de rotação;

- Não necessita de manutenção periódica; - Tempo de recarga curto;

- Tecnologia de localização universal;

- Materiais amigos do ambiente, ou seja, de baixo impacto ambiental.

Uma das suas principais vantagens é a capacidade para lidar com níveis de potência elevados. A resposta rápida dos volantes de inércia torna-os adequados para equilibrar a frequência da rede. Com a contribuição da intermitência da geração através fontes renováveis, estes dispositivos terão tendência a ter cada vez mais importância. O desenvolvimento de ferramentas com suporte informático de simulação tem permitido a optimização dos campos electromagnéticos criados, reduzindo uma série de limitações respeitantes à dimensão das estruturas. Com o progresso técnico, cada máquina pode ser projectada de acordo com as dimensões, da fonte de energia e da carga. Desta forma, a eficiência pode ser aumentada significativamente [11].

Um volante de inércia armazena energia numa massa em rotação. Dependendo da inércia e da velocidade angular da massa, a energia cinética é armazenada. O volante é colocado dentro de uma estrutura em vácuo para eliminar a perda de atrito do ar, sendo suspenso por rolamentos para uma rotação estável. A energia cinética é transferida de dentro para fora do volante, como uma máquina eléctrica que pode funcionar como motor ou gerador, dependendo do ângulo de carga (ângulo de fase). Ao funcionar como motor, a energia eléctrica fornecida para o enrolamento do estator é convertida em binário, aplicada ao rotor, fazendo-o girar e ganhar energia cinética. No modo de gerador de energia cinética armazenada no rotor aplica-se um binário, o qual é convertido em energia eléctrica. Podemos ver na figura 8 a constituição básica de um volante de inércia, além da electrónica de potência adicional que é necessária por exemplo para o controlo da potência de saída, velocidade e frequência.

A energia cinética armazenada no volante de inércia é proporcional à massa e ao quadrado da velocidade de rotação de acordo com a seguinte equação:

ܧ௞ = ଵ ଶ∙ ܫ ∙ ߱

ଶ _{(equação 1)}

onde Ek é a energia cinética armazenada no volante de inércia, I é o momento de inércia e ࣓

é a velocidade angular do volante. O momento de inércia para qualquer objecto é em função da sua forma e massa. Para rotores com forma de um cilindro sólido, I é calculado da seguinte forma: ܫ =ଵ ଶ∙ ݎ ଶ_{∙ ݉ =}ଵ ଶ∙ ݎ ସ_{∙ ߨ ∙ ܽ ∙ ߩ (equação 2)}

em que r é o raio e a é o comprimento do cilindro, m representa a massa da cilindro e ρ é a densidade do material. A outra forma de cálculo é dominante num cilindro circular oco, aproximando-se de um composto ou aro de aço ligado a um veio com uma teia, o que leva à seguinte equação: ܫ =ଵ ସ∙ ݉ ∙ ሺݎ଴ ଶ_{+ ݎ} ௜ଶሻ = ଵ ସ∙ ߨ ∙ ܽ ∙ ߩ ∙ ሺݎ଴ ସ_{+ ݎ} ௜ସሻ (equação 3)

Figura 8 – Constituição básica de um volante de inércia (flywheel) [11]

A equação 1 indica-nos que a forma mais eficiente para aumentar a energia armazenada é acelerar o volante. O limite de velocidade é definido pelo esforço desenvolvido dentro da roda devido à inércia das cargas, a que chamamos de resistência à tracção σ. Os Materiais mais leves podem desenvolver cargas com inércia inferiores, uma dada aceleração de materiais compósitos com baixa densidade e alta resistência à tracção, proporciona uma excelente forma de armazenamento de energia cinética. A densidade máxima de energia em relação ao volume e em massa, respectivamente, é dada pela seguintes expressões:

݁_௩= ܭ_ఙ (equação 4)

݁_௠ =௄഑

ఘ (equação 5)

onde ev e em são a energia cinética por unidade de volume ou de massa, respectivamente, K é

o factor de forma, σ é a tensão máxima no volante e ρ é a densidade de massa [11].

Estes sistemas caracterizam-se por ter uma boa capacidade de resposta. Com o desenvolvimento de novos materiais que permitam menores custos de concepção, a utilização destes sistemas no futuro tenderá ser uma boa aposta, sobretudo como apoio na estabilidade da frequência.

3.1.3

Armazenamento de Energia Térmica (TES)

O armazenamento de energia térmica (TES) pode ser definido como um tipo de armazenamento de energia temporário de alta ou baixa temperatura. A maioria do desperdício de energia ocorre devido ao intervalo de tempo entre a disponibilidade de energia e a

utilização da mesma. Temos como exemplo os edifícios com grandes espaços interiores que exigem refrigeração durante todo o ano, a energia tipicamente extraída para a atmosfera através de sistemas de climatização pode ser armazenada por aquecimento da água durante os períodos nocturnos e desocupados. Da mesma forma, a energia solar pode ser armazenada durante o dia para aquecer à noite [12].

Existem basicamente dois tipos de sistemas TES, o sensível (por exemplo com água ou rocha) e o latente (por exemplo com gelo ou hidratos de sal). O processo realizado através de um material para aumentar ou diminuir a temperatura é designado por armazenamento de calor sensível. A eficiência depende do calor específico do material e quando o volume é considerável, depende também da densidade do material de armazenamento. Ao armazenamento realizado pela mudança de fase de uma substância, seja a transição de estado sólido para líquido ou de líquido para vapor, sem qualquer alteração na temperatura, é designado por armazenamento de calor latente.

Normalmente, o armazenamento de curto prazo (armazenamento diurno) é utilizado para fornecer potências de pico em determinadas horas do dia, de modo a reduzir o dimensionamento dos sistemas e aproveitar a vantagem das tarifas de energia [13].

Existem já implementadas diversas formas de armazenar energia térmica e outras estão ainda em fase de estudo. Aqui apenas se irá abordar um exemplo desta tecnologia já implementada com bons resultados, a qual utiliza como recurso os concentradores solares parabólicos em conjunto com um sistema de armazenamento de energia em grande escala.

Tal como acontece nas centrais convencionais, a electricidade é gerada através de uma turbina de vapor ligada a um gerador, sendo neste caso o vapor produzido através do recurso renovável da energia solar e não pela queima de combustíveis fosseis. A radiação é captada e concentrada por longas fileiras de espelhos parabólicos, em que o calor gerado vai aquecer um fluido resistente ao calor (óleo sintético) que circula nos tubos de absorção conforme podemos ver na figura 9. Este fluido ao circular num permutador de calor irá gerar vapor no circuito de vapor e provocar o accionamento da turbina e a consequente geração de electricidade através do gerador acoplado. Além deste permutador existe um outro acoplado ao sistema de armazenamento, onde é utilizada a tecnologia do sal fundido.

Quando existe sol, o calor gerado abastecer o sistema de armazenamento, constituído basicamente por

aproximada de 380ºC e um depósito circuito é percorrido por uma

mistura de sais fundidos, tais os quais são aquecidos durante

O sal funde a 131°C e é mantido "frio". Nos períodos em que existe “quente”, sendo depois bombeado radiação solar, transferindo novamente Esta tecnologia tem a vantagem utilizada em indústrias químicas de fluidos [14].

Figura 9 – Ciclo de produção de

Figura 10 – Central de armazenamento de energia térmica com recurso a energia solar [1

gerado pela radiação solar é suficiente para armazenamento, simultaneamente. O circuito de

2 depósitos, um depósito “quente” com depósito “frio” com uma temperatura aproximada mistura de sais em estado líquido. O processo tais como o nitrato de sódio, nitrato de potássio durante as horas em que existe sol.

mantido líquido a 288°C num tanque de armazenamento existe radiação solar, o sal líquido é bombeado

bombeado para o depósito “frio” nos períodos novamente a energia térmica ao fluido do circuito vantagem de utilizar matérias não inflamáveis e químicas e de metais, com necessidades de transporte

Ciclo de produção de electricidade com recurso ao armazenamento de energia térmica

Central de armazenamento de energia térmica com recurso a energia solar [1

para gerar energia e de armazenamento é com uma temperatura aproximada de 280ºC, o processo tem como base a potássio e nitrato de cálcio,

armazenamento isolado bombeado para o depósito em que não existe circuito de absorção. não tóxicas, sendo transporte de calor através

armazenamento de energia térmica [14]

3.1.4

Hídrica com Bombagem (PHES)

As centrais hidroeléctricas com sistema de bombagem (PHES) são consideradas até agora, a única forma de obter maior capacidade de armazenamento de energia. São caracterizadas por serem sistemas de alta eficiência e baixo custo de operação. As primeiras centrais deste tipo foram construídas na Suíça e na Itália na década de 1890, fazendo com que o conceito tenha mais de 1 século de idade. O conceito base parte do princípio de que para levantar um objecto com um determinado peso (massa), temos que vencer a força da gravidade, ou seja, é necessário fornecer uma força que é definida pela lei da física:

ܨ = ݉∙ܽ (equação 6)

em que m é a massa e a é a aceleração. Neste contexto a é substituído pela aceleração da gravidade g e o trabalho, ou seja, a energia fornecida e armazenada, é definida pela equação:

ܹ = ܨ∙݀ (equação 7)

sendo neste contexto, o termo d (distância) substituído por h (altura), resultando assim a seguinte equação:

ܹ = ݉∙݃∙ℎ (equação 8)

ou seja, significa que a energia armazenada é directamente proporcional à massa da água armazenada, gravidade e altura. Deste modo é possível compreender o funcionamento destas centrais com a aplicação destes conceitos físicos, sendo o sistema basicamente constituído por dois reservatórios de água em diferentes altitudes (figura 11). Quando a solicitação da rede é baixa, a água é bombeada a partir do reservatório inferior para o superior, armazenando a água em forma de energia potencial. Quando é necessário gerar electricidade, a água é libertada sob força da gravidade, fluindo por condutas que a levam a accionar a (s) turbina (s) e por sua vez o (s) alternador (es) que irão gerar electricidade [1]. A potência gerada é dada pela seguinte equação geral:

ܲ = ܳ∙ℎ∙ߟ∙݃∙ߩ (equação 9)

onde Q é o caudal de água, h é a altura de queda bruta, η é a eficiência hidráulica da turbina,

Em termos de funcionalidade quantidades de energia e com resposta rápidos e é uma forma com a bombagem efectuada desvantagem de terem que ser ambientais e requer uma fonte

Figura 11 – Esquema básico de uma central hidroeléctrica com bombagem [

Estes sistemas foram originalmente fornecimento de energia, com agora uma nova relevância. Como necessitam de desenvolvimento PHES, razão pela qual as grandes neste tipo de sistemas.

A aposta maior nestes sistemas uma diferença de altitude com potenciais para a sua instalação zonas montanhosas como a Noruega, de electricidade a partir de centrais países que podem afirmar que condicionantes que se traduzem modificadas ou destruídas, vales prejudicando também a fauna. Noruega, onde as centrais foram confiança para as questões ambientais,

funcionalidade esta é uma tecnologia madura, capaz de alta eficiência global, na ordem dos 70 a 80 forma de armazenar energia a baixo custo, podendo efectuada com apoio de energia eólica. Em contrapart

ser instaladas em locais geologicamente específicos, fonte de água com fluxos significativos [1].

Esquema básico de uma central hidroeléctrica com bombagem [

originalmente construídos com o objectivo base de controlar om a disseminação das energias renováveis,

Como dito anteriormente, existem outras tecnologias desenvolvimentos e avanços para serem efectivamente competitivas

grandes empresas produtoras de energia ainda investirem

sistemas não seria um grande problema se não fosse com quedas adequadas, o que limita a existência instalação. Mas existem excepções como o caso

Noruega, que baseia a quase totalidade do seu centrais hidroeléctricas. Apesar da Noruega que esta é uma tecnologia 100 por cento traduzem num preço, pelo facto das montanhas

vales inundados, com as consequências negativas fauna. Como curiosidade, as águias e gaviões têm

foram construídas, o que torna interessante ambientais, uma vez que estão na extremidade da

armazenar grandes %. Tem tempos de podendo este ser reduzido contrapartida tem a específicos, com impactos

Esquema básico de uma central hidroeléctrica com bombagem [1]

controlar e regular o estas centrais têm tecnologias que ainda competitivas com o investirem em massa

fosse a exigência de existência de locais de países ricos em seu poder de geração ser um dos poucos renovável, existem ontanhas terem que ser negativas ambientais, deixado regiões na interessante este indicador de da cadeia alimentar.

O crescente desenvolvimento das tecnologias de armazenamento vai certamente levar operadores a actualizar e modernizar as centrais mais antigas para melhorar a capacidade e a sua eficiência. Os países com uma história de extracção mineral darão certamente importância ao PHES de estrutura subterrânea [1] de modo a rentabilizar as infra-estruturas do subsolo.

3.1.5

Armazenamento Magnético Com Supercondutores

(SMES)

Os sistemas de armazenamento de energia magnética com recurso a materiais denominados de supercondutores (SMES) são constituídos por três componentes principais: a bobina de material supercondutor, o sistema conversor DC-AC / AC-DC e um sistema de arrefecimento. O armazenamento da energia é efectuado através de um campo magnético gerado pela circulação de uma corrente no supercondutor, o qual é refrigerado por um fluido criogénico (que produz baixas temperaturas) – figura 12.

O funcionamento tem como base as propriedades que certos materiais metálicos ou cerâmicos têm quando são sujeitos a arrefecimentos para temperaturas próximas do zero absoluto, perdendo a sua resistência eléctrica. Esta temperatura é chamada a temperatura crítica (Tc), a

qual varia consoante o tipo de material. Quando não existe resistência eléctrica, os electrões podem circular livremente por todo o material, podendo o material conter grandes quantidades de corrente eléctrica por longos períodos de tempo sem perder energia na forma de calor. As perdas neste tipo de tecnologia são quase nulas, tendo praticamente 90 a 95 por cento de eficiência (sem considerar o sistema de arrefecimento).

Esta tecnologia tem como desvantagem a necessidade de um sistema para arrefecer os componentes, o que pode ser conseguido por liquefacção do hélio, tornando este processo dispendioso e reduz a sua eficiência. Existem novos materiais supercondutores de alta temperatura que têm sido alvo de investigação, permitindo ser arrefecidos por azoto líquido, diminuindo assim os custos por um factor de 10 a 20 por cento. Existem também desvantagens relativamente ao tipo de materiais utilizados, pois têm características rígidas que os levam a ser quebradiços e de difícil e dispendioso processamento.

Como vantagens têm um tempo de resposta muito rápido, possibilidade de efectuar descargas parciais ou totais, sem efeitos negativos para o ambiente. Existe no entanto em determinados locais geográficos um interesse particular no desenvolvimento desta tecnologia, como por exemplo o Japão, devido aos fracos recursos geológicos existentes no país [1] [16].

As perspectivas futuras são difíceis de determinar porque depende sobretudo das características dos materiais supercondutores, pois a descoberta de um material com propriedades adequadas para o funcionamento à temperatura ambiente seria o ideal, contudo é incerta a existência desse material.

Actualmente esta tecnologia tem um bom desempenho em sistemas que exigem tempos de resposta rápidos. Mas, devido ao processamento difícil e caro dos materiais supercondutores de alta temperatura, é de esperar que os de baixa temperatura marquem diferença num curto ou médio prazo. Para já o desenvolvimento desta tecnologia está centrado em sistemas com capacidades até 10 kWh, com aplicações para a qualidade de energia e em sistemas de alimentação ininterrupta (UPS), não tendo neste momento importância relevante para a integração com produção renovável [1].

3.1.6

Supercondensadores (SCES)

Os sistemas de armazenamento de energia com supercondensadores (SCES) consistem na potencialidade que os condensadores têm em armazenar energia eléctrica através do campo eléctrico formado entre dois eléctrodos, quando uma tensão contínua é aplicada entre eles.

A aplicação desta tecnologia em sistemas de armazenamento de energia é recente e consiste na utilização de materiais porosos (carvão activado) em um ou ambos os eléctrodos. Estes

estão imersos numa solução electrolítica (tipicamente hidróxido de potássio ou ácido sulfúrico) com um separador que impede o contacto físico dos eléctrodos. Este separador chamado electrólito permite a transferência de iões entre os eléctrodos (figura 13). Esta estrutura cria efectivamente dois condensadores equivalentes (entre cada um dos eléctrodos e o electrólito). A energia é armazenada como uma separação de carga na camada dupla formada entre a superfície sólida do material do eléctrodo e o electrólito líquido, no interior dos poros microscópicos dos eléctrodos. Devido a esta característica, estes dispositivos são também conhecidos como condensadores eléctricos de dupla camada (EDLC).

Figura 13 – Esquema de um supercondensador [15]

A capacidade é determinada pela área efectiva dos eléctrodos e respectiva distância de separação e a constante do dieléctrico. A principal diferença entre um supercondensador e um condensador convencional é a sua constituição baseada por um electrólito líquido e eléctrodos porosos (material de carvão activado), sendo a área da superfície específica superior, em comparação com a estrutura de eléctrodo convencional. Além disso, garante uma distância muito curta entre o eléctrodo e o electrólito (inferior a 1 µm), resultando numa alta capacitância por unidade de volume, podendo ser de centenas a milhares de vezes maior em relação aos condensadores electrolíticos, até vários milhares de Farads (normalmente 5000 F). Em contrapartida, a tensão máxima é limitada a alguns volts (normalmente até 3 V) devido à tensão de decomposição do electrólito.

Os supercondensadores proporcionam grandes vantagens, tornando-os quase únicos para algumas aplicações, pois não têm partes móveis, não requerem refrigeração ou aquecimento, e porque não sofrem alterações químicas internas, são robustos e muito eficientes, atingindo uma eficiência de ciclo na ordem dos 95% ou mais. Além disso, eles não necessitam